Linux 嵌入式启动以及优化

Linux 嵌入式启动以及优化

以前写了一篇Linux PC启动过程的日记,最近项目中,想优化一下启动过程,减少启动时间.因此研究了我们项目的启动全过程.

第一步: BootLoader -- U boot

1 在cpu/arm926ejs/start.s中

a) b reset ; //jump to reset

b) set cpsr ;svc mode ,disable I,F interrupt

c)调用lowlevel_init (在board\xxxx\lowlevel_init.S中

将调用 __platform_cmu_init (设置cpu时钟，启动那些模块等）

__platform_mpmc_init (mpmc初始化，配置SDRAM时序）

__platform_static_memory_init

__platform_static_uart_init

__platform_mpmc_clear

d) 用LDMIA,STMIA命令 copy uboot 到内存中

e) ldr pc ,_start_armboot

执行start_armboot

2 start_armboot 在 lib-arm中

a)根据init_sequence 执行初始化序列

包括：cpu_init

board_init

中断初始化

initialize environment

initialze baudrate settings

serial communications setup

打印uboot 版本

display_dram_config (打印DRAM大小）

而在board_init中

将打印公司名称 ，前后还加了delay

timer 初始化

dw_init --- I2C 设置

验证时钟来源 （来自wifi还是DECT)

LCD初始化

键盘初始化

Flash 初始化 (空函数）

网卡初始化 （其中有个udelay(1000) 1ms的delay )

b) NOR FLASH 初始化

display_flash_config （打印Flash大小）

c) nand 初始化 （将scan整个nand chip,建立 bbt table)

d) env_relocate 环境变量重新定位到内存中

e) 得到IP 地址和网卡 MAC地址

f) devices_init

g) 中断enable

然后： start_armboot --> main_loop

3 main_loop在 common/main.c中

getenv("bootdelay")

--> 循环 readline

run_command

第二步: Kernel

a) Kernel自解压 arch\arm\boot\compressed\head.S中调用decompress_kernel(misc.c),完了打印出"done,booting the kernel"

然后根据arch_id = 多少,打印出 arch_id

b) 在arch\arm\kernel\head.S中

check cpu 以及 machine ID

build the initial 页表

_switch_data (arm\kernel\head_common.s中) 将process id存入process_id变量中

start_kernel

c) start_kernel

1) 打印Linux version information

2) call setup_arch,(它将打印cpu特定的信息,machine

look_machine_type ->arm\tools\mach_types

look_processor_type --> .proc.info.init. -->arm\mm\proc_arm926.S

在 /arm\mach_xx\xx.c中,有MACHINE_START(....)

3) 打印commnad_line

4) 初始化

vfs_caches_init

虚拟文件系统VFS初始化,主要初始化dentry等,它将调用 mnt_init. 而mnt_init将调用init_rootfs,注册rootfs文件系统,init_mount_tree()创建rootfs文件系统,会把rootfs挂载到/目录.

5) rest_init

启动init kernel thread

在init 线程中:

1)populate_rootfs()

函数负责加载initramfs.

我们的系统没有定义CONFIG_BLK_DEV_INITRD,因此populate_rootfs什么也没做

2) do_basic_setup

-->driver_init()->platform_bus_init()->...初始化platform bus(虚拟总线)

这样以后设备向内核注册的时候platform_device_register()->platform_device_add()->...内核把设备挂在虚拟的platform bus下,
驱动注册的时候platform_driver_register()->driver_register()->bus_add_driver()->driver_attach()->bus_for_each_dev()对每个挂在虚拟的platform bus的设备作__driver_attach()->driver_probe_device()->drv->bus->match()==platform_match()->比较strncmp(pdev->name, drv->name, BUS_ID_SIZE)，如果相符就调用platform_drv_probe()->driver->probe()，如果probe成功则绑定该设备到该驱动.

好象声卡怎么先注册驱动,再注册设备呢?反了?

-->do_initcalls

而do_initcalls将调用__initcall_start到__initcall_end中的所有函数

__initcall_start和__initcall_end定义在arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中

它是这样定义的:

__initcall_start = .;
*(.initcall1.init)
*(.initcall2.init)
*(.initcall3.init)
*(.initcall4.init)
*(.initcall5.init)
*(.initcall6.init)
*(.initcall7.init)
__initcall_end = .;

而在include/linux/init.h中

#define core_initcall(fn) __define_initcall("1",fn)
#define postcore_initcall(fn) __define_initcall("2",fn)
#define arch_initcall(fn) __define_initcall("3",fn)
#define subsys_initcall(fn) __define_initcall("4",fn)
#define fs_initcall(fn) __define_initcall("5",fn)
#define device_initcall(fn) __define_initcall("6",fn)
#define late_initcall(fn) __define_initcall("7",fn)

其中

#define __define_initcall(level,fn) \
static initcall_t __initcall_##fn __attribute_used__ \
__attribute__((__section__(".initcall" level ".init"))) = fn

这说明core_initcall宏的作用是将函数指针(注意不是函数体本身)将放在.initcall1.init section 中,而device_initcall宏将函数指针将放在.initcall6.init section 中.

函数本身用_init标识,在include/linux/init.h中

#define __init __attribute__ ((__section__ (".init.text")))

这些_init函数将放在.init.text这个区段内.函数的摆放顺序是和链接的顺序有关的，是不确定的。

因此函数的调用顺序是:

core_initcall

postcore_initcall 如amba_init

arch_init 如

subsys_initcall

fs_initcall

device_initcall ---> module_init

late_initcall

先调用core_initcall区段中的函数,最后调用late_initcall中的函数,而对于上述7个区段中每个区段中的函数指针,由于其摆放顺序和链接的顺序有关的，是不确定的,因此其调用顺序也是不确定的.

3) rootfs 加载

prepare_namespace 挂载真正的根文件系统,

在do_mounts.c中:

static int __init root_dev_setup(char *line)
{
strlcpy(saved_root_name, line, sizeof(saved_root_name));
return 1;
}

__setup("root=", root_dev_setup);

也就是说:在bootargs中root=/dev/nfs rw 或者root=/dev/mtdblock4等将传入saved_root_name.

void __init prepare_namespace(void)
{
int is_floppy;

mount_devfs();

if (root_delay) {
printk(KERN_INFO "Waiting %dsec before mounting root device...\n",
root_delay);
ssleep(root_delay);
}

md_run_setup();

if (saved_root_name[0]) {
root_device_name = saved_root_name; //保存在root_device_name中
ROOT_DEV = name_to_dev_t(root_device_name);

//在root_dev.h中定义了Root_NFS,Root_RAM0等结点号
if (strncmp(root_device_name, "/dev/", 5) == 0)
root_device_name += 5;
}

is_floppy = MAJOR(ROOT_DEV) == FLOPPY_MAJOR;

if (initrd_load())
goto out;

if (is_floppy && rd_doload && rd_load_disk(0))
ROOT_DEV = Root_RAM0;

mount_root(); //加载rootfs
out:
umount_devfs("/dev");
sys_mount(".", "/", NULL, MS_MOVE, NULL);
sys_chroot(".");
security_sb_post_mountroot();
mount_devfs_fs ();
}

4)yaffs2_read_super被调用来建立文件系统,它scan所有的block

5) free_initmem

释放init 内存

6)打开/dev/console

失败则会打印:

printk(KERN_WARNING "Warning: unable to open an initial console.\n");

7) 判断是否有execute_command,这个参数是在uboot参数的bootargs中init=xxx ,如果定义了的话 则执行 run_init_process(execute_command).

可以通过这种方法实现自己的init process,

或者可以init=/linuxrc ,这样执行linuxrc

8) 如果没有execute_command,init kernel线程缺省的也是最后的步骤是:

run_init_process("/sbin/init");
run_init_process("/etc/init");
run_init_process("/bin/init");
run_init_process("/bin/sh");
如果/sbin/init没有,则执行/etc/init. /etc/init没有则执行/bin/init ,如果这四者都没有,则Linux打印

panic("No init found. Try passing init= option to kernel.");

第三步: Init Process

run_init_process也就是调用execve,这样就启动了init process

上面的/sbin/init,/etc/init,/bin/init,/bin/sh这四者都指向busybox ,但对于/bin/sh则只是打开shell,然后等待用户命令.

而对于/sbin/init ,将分析/etc/inittab.

在/etc/inittab中,

1) id:5:initdefault: 缺省的runlevel x

2) si::sysinit:/etc/init.d/rcS
执行 rcS脚本

3) l5:5:wait:/etc/init.d/rc 5
4)S:2345:respawn:/sbin/getty 38400 ttyDW0
getty 提示用户输入username ,然后调用login,login的参数为username ，登录后启动了shell
如果修改为 /bin/sh 则直接启动shell,此时你可以输入命令 比如ls

在/etc/init.d/rcS中
a) mount proc 文件系统
b) /etc/default/rcS (设置一些参数）
c)exec /etc/init.d/rc S
执行 /etc/init.d/rc S -->这样将执行/etc/rcS.d中以S开头的脚本
S00psplash.sh psplash
S02banner.sh make node /dev/tty
S03sysfs.sh mount sysfs
S03udev 启动udev
S06alignment.sh 为什么为3？
S10checkroot.sh 读取fatab ,mount 这些文件系统
S20modutils.sh 加载module
S35mountall.sh 不做什么事情
S37populate-volatile.sh
S38devpts.sh mount devpts File System
S39hostname.sh set hostname to /etc/hostname
S40networking ifup -a to up the lo interface
S45mountnfs.sh read /etc/fstab to whether NFS exists

and then mount the NFS
S55bootmisc.sh 调用/etc/init.d/hwclock.sh去设置时间,日期等
S60ldconfig.sh ldconfig建立库的路径

l5:5:wait:/etc/init.d/rc 5将执行 /etc/rc5.d/ 依次为：
S00qpe 启动qpe
S02dbus-1 D_BUS dameon
S10dropbear SSH service
S20cron 自动执行指定任务的程序 cron , in etc/crontab , ntpd will run to get the NTP time
S20ntpd Not used , should delete
S20syslog run /sbin/klogd
S39wifiinit.sh wifi init and calibration
S70regaccess mknod regaccess.ko
S99rmnologin.sh do nothing since DELAYLOGIN = no in /etc/default/rcS
整个系统启动后 ，将有 25 个进程 ：其中12个内核的进程 ，13个用户进程
1 root 1488 S init [5]
2 root SWN [ksoftirqd/0]
3 root SW< [events/0]
4 root SW< [khelper]
5 root SW< [kthread]
12 root SW< [kblockd/0]
13 root SW< [kseriod]
41 root SW [pdflush]
42 root SW [pdflush]
43 root SW [kswapd0]
44 root SW< [aio/0]
152 root SW [mtdblockd]
208 root 1700 S < /sbin/udevd -d
343 root 36104 S qpe
357 messagebus 2080 S /usr/bin/dbus-daemon --system
361 root 2072 S /usr/sbin/dropbear -r /etc/dropbear/dropbear_rsa_host
364 root 1656 S /usr/sbin/cron
369 root 2712 S /sbin/klogd -n
394 root 2884 S -sh
400 root 20396 S /opt/Qtopia/bin/MainMenu -noshow
401 root 19196 S /opt/Qtopia/bin/Settings -noshow
402 root 20504 S /opt/Qtopia/bin/Organizer -noshow
403 root 20068 S /opt/Qtopia/bin/Photo -noshow
404 root 34488 S N /opt/Qtopia/bin/quicklauncher
411 root 34488 S N /opt/Qtopia/bin/quicklauncher

优化：

uboot :

1) setenv bootcmd1 "nand read.jffs2 0x62000000 kernel 0x180000 ; bootm 62000000"
这样 load内核的时候 从以前0x300000的3M->1.5M 省1S
2)setenv bootdelay 1 从2变为0 加上CONFIG_ZERO_BOOTDELAY_CHECK

3) quiet=1
bootargs=root=/dev/mtdblock4 rootfstype=yaffs2 console=ttyDW0 mem=64M mtdparts=dwnand:3m(kernel),3m(splash),64m(rootfs),-(userdata);dwflash.0:384k(u-boot),128k(u-boot_env) quiet
加上quiet 省不到1S

4)启动的时候不扫描整个芯片的坏块，因为uboot只会用到kernel和splash区，只需要检验这两个区的坏块。
可以省不到 0.2s ,没什么明显的改进
5) 将环境变量verify 设置为n ,这样load kernel 后，不会去计算校验 kernel image的checksum
6)开始打印公司 这些可以去掉 ，在这里还有delay ,以及其他的一些不必要的打印 ,一起去掉
7)修改memcpy函数 在./lib_generic/string.c下：
/* Nonzero if either X or Y is not aligned on a "long" boundary. */
#define UNALIGNED(X, Y) \
(((long)X & (sizeof (long) - 1)) | ((long)Y & (sizeof (long) - 1)))
/* How many bytes are copied each iteration of the 4X unrolled loop. */
#define BIGBLOCKSIZE (sizeof (long) << 2)
/* How many bytes are copied each iteration of the word copy loop. */
#define LITTLEBLOCKSIZE (sizeof (long))
/* Threshhold for punting to the byte copier. */
#define TOO_SMALL(LEN) ((LEN) < BIGBLOCKSIZE)
void * memcpy(void * dst0,const void *src0,size_t len0)
{
char *dst = dst0;
const char *src = src0;
long *aligned_dst;
const long *aligned_src;
int len = len0;
/* If the size is small, or either SRC or DST is unaligned,
then punt into the byte copy loop. This should be rare. */
if (!TOO_SMALL(len) && !UNALIGNED (src, dst))
{
aligned_dst = (long*)dst;
aligned_src = (long*)src;
/* Copy 4X long words at a time if possible. */
while (len >= BIGBLOCKSIZE)
{
*aligned_dst++ = *aligned_src++;
*aligned_dst++ = *aligned_src++;
*aligned_dst++ = *aligned_src++;
*aligned_dst++ = *aligned_src++;
len -= BIGBLOCKSIZE;
}
/* Copy one long word at a time if possible. */
while (len >= LITTLEBLOCKSIZE)
{
*aligned_dst++ = *aligned_src++;
len -= LITTLEBLOCKSIZE;
}
/* Pick up any residual with a byte copier. */
dst = (char*)aligned_dst;
src = (char*)aligned_src;
}
while (len--)
*dst++ = *src++;
return dst0;
}
(在linux 中，arm 的memcpy 有优化的版本 ， 在/arch/arm/lib/memcpy.S中）

下面2个建议，没试过：

8）在环境变量区的末尾， 存有CRC，启动的时候会校验CRC ,去掉可以省一些时间

9）把一些驱动的初始化在正常启动的时候不执行，当用户按了键，进入uboot命令模式的时候执行
10) 修改SDRAM控制器时序

Kernel :
启动时间 有两种方法 ：
1 在u-boot的 bootargs 中加上参数 time
2 在内核的 kernel hacking 中 选择 PRINTK_TIME
方法2的好处是可以得到内核在解析command_line 前所有信息的时间,而之前会有：打印linux 版本信息，CPU D cache , I cache 等等 。。。
启动完后 用 ：
dmesg -s 131072 > ktime
然后用 ：
/usr/src/linux-x.xx.xx/scripts/show_delta ktime > dtime
这样得到启动内核时间的报告

1)修改Nand驱动 提高读速度

2）从 JFFS2 换成 yaffs
3)kernel变为非压缩的image ,但这样的话内核变大了，从NAND中搬运内核的时间将变长 ，所以需要测试是否
使得时间变短

建议：
4)把delay的 calibration 去掉
上面改动后 基本上8s从开机到 Freeing init memory

Application :
1 udev 启动 很花时间
2 安排好启动顺序。